魏 军 1 孙海东2 王 龙3
1、2 宁波市轨道交通集团有限公司 浙江省 315100
3 天津中铁电气化设计研究院有限公司 天津市300250
摘 要：本文介绍了城市轨道交通专用轨回流供电系统的特点与优势，针对专用轨回流供电系统制式下直流牵引网正极对地接地短路进行了分析，并根据分析提出了地负单向导通装置在系统中的应用方案，为专用轨回流供电系统模式下的接地保护设计提供了借鉴和指导。
关键词：城市轨道交通 专用轨回流 地负单向导通装置
0 引言
目前国内绝大多数城市轨道交通采用正极接触网或者接触轨供电、负极通过钢轨回流的方式。对于这种回流方式，虽然要求走行轨对地绝缘安装，但受施工、环境条件、建设周期等各方面因素影响，已开通线路对地过渡电阻值远远低于设计要求的15Ω·km（经统计，普遍数值在0.8-3Ω·km）。所以在以走行轨为回流城市轨道交通供电系统中，列车电流并非全部从走行轨流回牵引变电所，而是有一部分由走行轨泄漏至道床，并由道床流向结构钢筋及沿线水管、油气管道等金属管线，并最终流回牵引变电所进入变电所直流负极。这些泄漏电流（即杂散电流）的长期存在，具有隐蔽性及不确定性，会造成隧道结构钢筋及沿线金属管线的腐蚀，具有较大安全隐患。为从根本上解决杂散电流的泄漏及危害，目前已有部分城市轨道交通线路采用专用轨回流供电系统，并有磁悬浮、胶轮四轨、跨座式单轨等多种制式。
1 专用轨回流供电系统特点与优势
1.1专用轨回流供电系统
传统的城市轨道交通线路通过接触网或接触
作者简介：魏 军、孙海东.宁波市轨道交通集团有限公司，高级工程师；
王 龙.天津中铁电气化设计研究院有限公司，高级工程师。
轨做为正极向机车提供电源，车辆内部完成能量转换后电流再通过钢轨流回变电所负极，钢轨不仅起车辆导向作用还兼做供电系统回流通路。专用轨回流供电系统与走行轨回流供电系统主要区别是设置专门的回流通路，不再利用走行轨进行回流，由单独的回流介质进行回流，如下图所示：
图1 专用轨回流供电系统示意图
1.2专用轨回流供电系统特点与优势
专用轨采用绝缘支架或者绝缘子安装，大大提高了负极绝缘性能（与正极绝缘水平相当），基本杜绝了杂散电流的泄漏，从而从根本上解决杂散电流泄漏及腐蚀问题，对城市轨道交通内部钢筋结构、金属管线及沿线金属管线做到有效的保护。
2 专用轨回流供电系统正极对负极对地短路分析
2.1专用轨回流供电系统正极对负极短路
根据专用轨回流供电系统方案，牵引网正极对负极发生短路时，短路电流通过正极、短路点及回流轨流回牵引变电所负极，变电所内直流馈线开关内保护装置检测到短路电流后保护装置迅速动作，将馈线开关分断，实现保护功能。目前牵引变电所内设置的继电保护方案完全满足专用轨回流系统下正极对负极短路的保护功能。
2.2专用轨回流供电系统正极对地短路
牵引网正极对地发生短路时，存在如下四种情况：
a、牵引网正极与大地直接发生短路；
b、牵引网正极与钢轨发生短路；
c、牵引网正极对架空地线发生短路；
d、牵引网正极与车辆壳体发生短路。
由于钢轨只做车辆导向作用和承载作用，且为了乘客人身更安全，系统设计将钢轨在车站内直接接地；而车辆车壳、车轮又是连接为整体的，且时时位于钢轨之上；架空地线在车站内系统设计也是直接接地网的。所以上述b~d短路情况最终效果是和a一致的，等同于牵引网正极对地发生短路。
由于牵引网负极是对地绝缘安装的，当正极发生对地短路时，短路电流无法流回牵引变电所，所以在此种情况下是不能实现继电保护动作切除故障回路的。
如何实现牵引网正极对地发生短路时继电保护可靠动作，为此提出在大地与专用回流轨之间设置地负单向导通装置。装置主要由多个二极管并联组成，能够承受100kA、200ms的短路容量。如下图所示：
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图2 地负单向导通装置设置方案
3 地负单向导通装置功能解析
如前文所述，在专用回流轨与大地之间设置地负单向导通装置后牵引网正极对地发生短路时短路电流通路如下图所示：
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图3 牵引网正极对地短路电流通路
结合图3进行分析如下：
a、牵引网正极与大地直接发生短路
短路电流Ia经过牵引网正极、短路点Fa、大地、地负单向导通装置，流回牵引变电所，形成短路通路，所内馈线开关保护装置检测到短路电流，保护装置迅速动作，将馈线开关分断；
b、牵引网正极与钢轨发生短路
短路电流Ib经过牵引网正极、短路点Fb、钢轨、地负单向导通装置，流回牵引变电所，形成短路通路，所内馈线开关保护装置检测到短路电流，保护装置迅速动作，将馈线开关分断；
c、牵引网正极对架空地线发生短路
短路电流Ic经过牵引网正极、短路点Fc、架空地线、大地、地负单向导通装置，流回牵引变电所，形成短路通路，所内馈线开关保护装置检测到短路电流，保护装置迅速动作，将馈线开关分断；
d、牵引网正极与车辆壳体发生短路
短路电流Id经过牵引网正极、短路点Fd、车辆车壳、车辆钢轮、钢轨、地负单向导通装置，流回牵引变电所，形成短路通路，所内馈线开关保护装置检测到短路电流，保护装置迅速动作，将馈线开关分断。
由于地负单向导通装置主要由二极管组成，无短路电流时，二极管截止，因此正常情况下专用回流轨内电流不流向大地，因此也杜绝了回流电流向大地的泄漏，从而避免了杂散电流的产生。
为防止专用回流轨绝缘支架绝缘下降后出现回流电流泄漏，在负地单向导通装置内设置泄漏电流监测元件，如图2中所示，监测元件主要为电阻值很小的分流器，当负极绝缘下降，泄漏电流流入大地并从变电所返回负极母线时，监测元件即可监测到电流值。对监测电流设置一定的整定值，当达到整定值时发出报警并上传变电所综自系统，实现及时提醒运营人员发现绝缘下降和查找故障点。
4 结语
随着城市轨道交通工程在各个城市的发展及建设，杂散电流泄漏及腐蚀也越来越引起相关建设者、设计者、运营部门及城市金属管线管理单位的重视。由于杂散电流的的泄漏及腐蚀为长期累积效应，短时间内无法发现其危害程度，但随着时间的增长，当达到一定程度后如果发生事故，将产生威胁人身安全及财产损失等不可估量的后果。采用专用轨回流供电系统是从根本上解决杂散电流泄漏及腐蚀的最有效方案。国内外专用轨回流供电系统负极与大地之间主要设置高电阻的电压元件（64D继电器）实现牵引网正极对地短路保护，但高电阻元件选择性及可靠性较弱，当正极对地发生短路时，全线牵引所内电压元件电压值升高，当电压值达到整定值时将保护动作信号发馈线开关保护装置，再由保护装置触发馈线开关动作。这样容易扩大断电范围，也不具有选择性。
地负单向导通装置的设置不仅能实现专用轨回流供电系统下牵引网正极对地发生短路时的可靠继电保护，还能判断短路点发生的区间，提高运营人员查找故障点的效率，具有较高的可靠性和选择性。可应用于牵引网正极为接触网负极为专用回流轨、跨座式独轨、胶轮四轨及磁悬浮等多种专用轨回流供电系统中，具有广泛应用的适用性。